Explicación del color de los océanos y teledetección del color de los océanos.
En el sentido de las agujas del reloj desde arriba a la izquierda: agua de color azul profundo, agua azul verdosa, imagen satelital de las Bahamas donde la luz del sol se refleja en la arena y los arrecifes en las aguas poco profundas, imagen satelital de la floración de fitoplancton en el Océano Austral , imagen satelital de las Islas Pribilof que muestran matices de color de diferentes fitoplancton e imagen de satélite del Mar Báltico con floraciones de fitoplancton .
El color del océano es la rama de la óptica oceánica que estudia específicamente el color del agua y la información que se puede obtener al observar las variaciones de color. El color del océano , aunque principalmente azul, en realidad varía del azul al verde o incluso al amarillo, marrón o rojo en algunos casos. [1] Este campo de estudio se desarrolló junto con la teledetección del agua , por lo que se centra principalmente en cómo se miden el color mediante instrumentos (como los sensores de satélites y aviones).
La mayor parte del océano es de color azul, pero en algunos lugares el océano es de color azul verdoso, verde o incluso de amarillo a marrón. [2] El color azul del océano es el resultado de varios factores. En primer lugar, el agua absorbe preferentemente la luz roja, lo que significa que la luz azul permanece y se refleja fuera del agua. La luz roja se absorbe más fácilmente y, por lo tanto, no alcanza grandes profundidades, generalmente a menos de 50 metros (164 pies). En comparación, la luz azul puede penetrar hasta 200 metros (656 pies). [3] En segundo lugar, las moléculas de agua y las partículas muy pequeñas en el agua del océano dispersan preferentemente la luz azul más que la luz de otros colores. La luz azul que se dispersa por el agua y las partículas diminutas ocurre incluso en el agua más clara del océano [4] y es similar a la luz azul que se dispersa en el cielo .
Las principales sustancias que afectan el color del océano incluyen la materia orgánica disuelta , el fitoplancton vivo con pigmentos de clorofila y partículas no vivas como la nieve marina y los sedimentos minerales . [5] La clorofila se puede medir mediante observaciones satelitales y sirve como indicador de la productividad de los océanos ( productividad primaria marina ) en las aguas superficiales. En imágenes satelitales compuestas a largo plazo, las regiones con alta productividad oceánica aparecen en colores amarillo y verde porque contienen más fitoplancton (verde) , mientras que las áreas de baja productividad aparecen en azul.
Descripción general
El color del océano depende de cómo interactúa la luz con los materiales del agua. Cuando la luz entra en el agua, puede ser absorbida (la luz se agota, el agua se vuelve "más oscura"), [6] dispersada (la luz rebota en diferentes direcciones, el agua permanece "brillante"), [7] o una combinación de ambos. La forma en que la absorción y dispersión bajo el agua varían espectralmente, o a lo largo del espectro de energía de luz visible a infrarroja (alrededor de longitudes de onda de 400 nm a 2000 nm) determina qué "color" aparecerá el agua ante un sensor.
Tipos de agua por color
La mayoría de los océanos del mundo aparecen azules porque la luz que sale del agua es más brillante (tiene el valor de reflectancia más alto) en la parte azul del espectro de luz visible. Más cerca de la tierra, las aguas costeras suelen tener un aspecto verde. Las aguas verdes aparecen de esta manera porque las algas y las sustancias disueltas absorben la luz en las partes azul y roja del espectro.
Océanos azules
La razón por la que las aguas de mar abierto parecen azules es que son muy claras, algo similares al agua pura, y tienen pocos materiales presentes o sólo partículas muy pequeñas. El agua pura absorbe la luz roja con profundidad. [8] A medida que se absorbe la luz roja, permanece la luz azul. Grandes cantidades de agua pura aparecen de color azul (incluso en una piscina con fondo blanco o en un balde pintado de blanco [9] ). Las sustancias que se encuentran en las aguas oceánicas abiertas de color azul son a menudo partículas muy pequeñas que dispersan la luz, especialmente en las longitudes de onda azules. [10] La dispersión de la luz en el agua azul es similar a la dispersión en la atmósfera que hace que el cielo parezca azul (llamada dispersión de Rayleigh ). [11] Algunos lagos de agua clara de color azul parecen azules por las mismas razones, como el lago Tahoe en los Estados Unidos. [12]
Océanos verdes
Las algas marinas microscópicas, llamadas fitoplancton , absorben la luz en las longitudes de onda azul y roja, debido a sus pigmentos específicos como la clorofila-a . En consecuencia, con más y más fitoplancton en el agua, el color del agua cambia hacia la parte verde del espectro. [13] [14]
La sustancia absorbente de luz más extendida en los océanos es el pigmento clorofila, que el fitoplancton utiliza para producir carbono mediante la fotosíntesis . La clorofila, un pigmento verde, hace que el fitoplancton absorba preferentemente las porciones roja y azul del espectro de luz. A medida que se absorben la luz azul y roja, permanece la luz verde. Las regiones oceánicas con altas concentraciones de fitoplancton tienen tonos de agua de azul a verde dependiendo de la cantidad y el tipo de fitoplancton. [15] [16]
Las aguas verdes también pueden tener una combinación de fitoplancton, sustancias disueltas y sedimentos, sin dejar de parecer verdes. Esto sucede a menudo en estuarios, aguas costeras y aguas interiores, que se denominan aguas "ópticamente complejas" porque múltiples sustancias diferentes crean el color verde que ve el sensor.
Océanos de color amarillo a marrón
El agua del océano aparece amarilla o marrón cuando hay grandes cantidades de sustancias disueltas , sedimentos o ambos tipos de material.
El agua puede tener un aspecto amarillo o marrón debido a la gran cantidad de sustancias disueltas. [17] [18] La materia disuelta o gelbstoff (que significa sustancia amarilla) aparece oscura pero relativamente transparente, muy parecida al té. Las sustancias disueltas absorben la luz azul con más fuerza que la luz de otros colores. La materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) a menudo proviene de materia vegetal en descomposición en la tierra o en marismas , o en mar abierto del fitoplancton marino que exuda sustancias disueltas de sus células. [19]
En las zonas costeras, la escorrentía de los ríos y la resuspensión de arena y limo del fondo añaden sedimentos a las aguas superficiales. Más sedimentos pueden hacer que las aguas parezcan más verdes, amarillas o marrones porque las partículas de sedimentos dispersan la energía luminosa en todos los colores. [20] En grandes cantidades, las partículas minerales como los sedimentos hacen que el agua se vuelva marrón si hay un evento de carga masiva de sedimentos, [21] con un aspecto brillante y opaco (no transparente), muy parecido a la leche con chocolate.
océanos rojos
El agua del océano puede aparecer roja si hay una proliferación de un tipo específico de fitoplancton que causa una decoloración de la superficie del mar. [22] Estos eventos se denominan " mareas rojas ". Sin embargo, no todas las mareas rojas son dañinas y sólo se consideran floraciones de algas dañinas si el tipo de plancton involucrado contiene toxinas peligrosas. [23] El color rojo proviene de los pigmentos de los tipos específicos de fitoplancton que causan la floración. Algunos ejemplos son Karenia brevis en el Golfo de México, [24] Alexandrium fundyense en el Golfo de Maine, [25] Margalefadinium polykroides y Alexandrium monilatum en la Bahía de Chesapeake, [26] y Mesodinium rubrum en Long Island Sound. [27]
Teledetección del color del océano
La teledetección del color del océano también se conoce como radiometría del color del océano . Sensores remotos en satélites, aviones y drones miden el espectro de la energía luminosa proveniente de la superficie del agua. Los sensores que se utilizan para medir la energía luminosa procedente del agua se denominan radiómetros (o espectrómetros o espectroradiómetros ). Algunos radiómetros se utilizan en el campo en la superficie terrestre en barcos o directamente en el agua. Otros radiómetros están diseñados específicamente para aviones o misiones de satélites en órbita terrestre. Utilizando radiómetros, los científicos miden la cantidad de energía luminosa procedente del agua en todos los colores del espectro electromagnético , desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. [28] A partir de este espectro reflejado de energía luminosa, o el "color" aparente, los investigadores derivan otras variables para comprender la física y la biología de los océanos.
Las mediciones del color del océano se pueden utilizar para inferir información importante, como la biomasa de fitoplancton o las concentraciones de otros materiales vivos y no vivos. Los patrones de proliferación de algas satelitales a lo largo del tiempo, en grandes regiones hasta la escala del océano global, han sido fundamentales para caracterizar la variabilidad de los ecosistemas marinos . Los datos sobre el color del océano son una herramienta clave para la investigación sobre cómo responden los ecosistemas marinos al cambio climático y las perturbaciones antropogénicas. [29]
Uno de los mayores desafíos para la teledetección del color del océano es la corrección atmosférica , o eliminar la señal de color de la neblina y las nubes atmosféricas para centrarse en la señal de color del agua del océano. [30] La señal del agua misma es menos del 10% de la señal total de la luz que sale de la superficie de la Tierra. [31] [32]
En las décadas de 1960 y 1970 se lograron logros importantes que condujeron a las modernas campañas de teledetección del color del océano. El libro Oceanografía óptica de Nils Gunnar Jerlov , publicado en 1968, [35] fue un punto de partida para muchos investigadores en las décadas siguientes. En 1970, George Clarke publicó la primera evidencia de que la concentración de clorofila podía estimarse basándose en la luz verde versus la azul proveniente del agua, medida desde un avión sobre George's Bank . [36] En la década de 1970, el científico Howard Gordon y su estudiante graduado George Maul relacionaron imágenes de la primera misión Landsat con el color del océano. [37] [38] Casi al mismo tiempo, un grupo de investigadores, incluidos John Arvesen, la Dra. Ellen Weaver y el explorador Jacques Cousteau , comenzaron a desarrollar sensores para medir la productividad del océano comenzando con un sensor aéreo. [39] [40]
La teledetección del color del océano desde el espacio comenzó en 1978 con el lanzamiento exitoso del escáner de color de la zona costera (CZCS) de la NASA en el satélite Nimbus-7. A pesar de que CZCS era una misión experimental destinada a durar sólo un año como prueba de concepto, el sensor continuó generando una valiosa serie temporal de datos en sitios de prueba seleccionados hasta principios de 1986. Pasaron diez años antes de que otras fuentes de color del océano Los datos estuvieron disponibles con el lanzamiento de otros sensores, y en particular el sensor de campo de visión amplio de visión del mar ( SeaWiFS ) en 1997 a bordo del satélite SeaStar de la NASA . [41] Los sensores posteriores han incluido el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) de la NASA a bordo de los satélites Aqua y Terra, y el espectrómetro de imágenes de resolución media ( MERIS ) de la ESA a bordo de su satélite ambiental Envisat . Recientemente se han lanzado varios nuevos sensores de color del océano, incluido el monitor de color del océano Índico (OCM-2) a bordo del satélite Oceansat-2 de ISRO y el generador de imágenes geoestacionario en color del océano coreano (GOCI), que es el primer sensor de color del océano. que se lanzará en un satélite geoestacionario , y el conjunto de radiómetros de imágenes infrarrojas visibles ( VIIRS ) a bordo de la central nuclear Suomi de la NASA. Varias agencias espaciales planean instalar más sensores de color del océano durante la próxima década, incluidas imágenes hiperespectrales . [42]
La información más utilizada procedente de la teledetección del color del océano es la concentración de clorofila a obtenida por satélite. Los investigadores calculan la concentración de clorofila-a obtenida por satélite desde el espacio basándose en la premisa central de que cuanto más fitoplancton hay en el agua, más verde es. [46]
El fitoplancton son algas microscópicas, productores primarios marinos que convierten la luz solar en energía química que sustenta la red alimentaria del océano. Al igual que las plantas terrestres, el fitoplancton crea oxígeno para otras formas de vida en la Tierra. La teledetección del color de los océanos desde el lanzamiento de SeaWiFS en 1997 ha permitido a los científicos cartografiar el fitoplancton –y así modelar la producción primaria– en todos los océanos del mundo durante muchas décadas, [47] lo que supone un importante avance en el conocimiento del sistema terrestre.
Otras aplicaciones
Más allá de la clorofila, algunos ejemplos de algunas de las formas en que se utilizan los datos del color del océano incluyen:
Floraciones de algas nocivas
Los investigadores utilizan datos del color del océano junto con datos meteorológicos y muestreos de campo para pronosticar el desarrollo y movimiento de floraciones de algas nocivas (comúnmente conocidas como "mareas rojas", aunque los dos términos no son exactamente iguales). Por ejemplo, los datos de MODIS se han utilizado para mapear las floraciones de Karenia brevis en el Golfo de México. [48]
Sedimentos en suspensión
Los investigadores utilizan datos del color del océano para mapear la extensión de las columnas de los ríos y documentar la resuspensión de sedimentos del fondo marino impulsada por el viento. Por ejemplo, después de los huracanes Katrina y Rita en el Golfo de México, se utilizó la teledetección del color del océano para mapear los efectos en alta mar. [49]
Sensores
Los sensores utilizados para medir el color del océano son instrumentos que miden la luz en múltiples longitudes de onda (multiespectral) o un espectro continuo de colores (hiperespectral), generalmente espectroradiómetros o radiómetros ópticos. Los sensores de color del océano pueden montarse en satélites o aviones, o utilizarse en la superficie de la Tierra.
Sensores satelitales
Los siguientes sensores son sensores satelitales en órbita terrestre. El mismo sensor se puede montar en varios satélites para brindar más cobertura a lo largo del tiempo (también conocido como mayor resolución temporal). Por ejemplo, el sensor MODIS está montado en los satélites Aqua y Terra. Además, el sensor VIIRS está montado en los satélites Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP o SNPP) y Joint Polar Satellite System (JPSS-1, ahora conocido como NOAA-20).
Escáner Color Zona Costera ( CZCS )
Sensor de campo de visión amplio para visión del mar ( SeaWiFS ) en OrbView-2 (también conocido como SeaStar)
Espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada ( MODIS ) en los satélites Aqua y Terra
Espectrómetro de imágenes de resolución media ( MERIS )
Polarización y Direccionalidad de las Reflectancias de la Tierra ( POLDER )
Generador de imágenes geoestacionario en color del océano ( GOCI ) en el satélite de comunicaciones, océano y meteorología (COMS)
Los siguientes sensores fueron diseñados para medir el color del océano desde aviones para teledetección aérea:
Espectrómetro aéreo de imágenes visibles/infrarrojas ( AVIRIS ) [53]
Generador de imágenes en color del océano aerotransportado (AOCI) [54]
Espectrómetro de imágenes remotas portátil (PRISM) volado para el proyecto CORALS en el avión Tempus Applied Solutions Gulfstream-IV (G-IV) [55] [56]
Sistema de imágenes hiperespectrales de cabecera (HIS)
Paquete de radiómetro bioóptico Coastal Airborne In Situ Radiometers (C-AIR) [57]
Generador de imágenes espectrográficas aéreas compactas (CASI) [58]
Sensores in situ
En la superficie de la Tierra, como en buques de investigación , en el agua usando boyas o en muelles y torres, los sensores de color del océano toman medidas que luego se utilizan para calibrar y validar los datos de los sensores satelitales. La calibración y la validación son dos tipos de " verificación sobre el terreno " que se realizan de forma independiente. La calibración es el ajuste de los datos sin procesar del sensor para que coincidan con valores conocidos, como el brillo de la luna o un valor de reflexión conocido en la superficie de la Tierra. La calibración, realizada durante toda la vida útil de cualquier sensor, es especialmente crítica en la primera parte de cualquier misión satelital, cuando el sensor se desarrolla, se lanza y comienza su primera recopilación de datos sin procesar. La validación es la comparación independiente de las mediciones realizadas in situ con las mediciones realizadas desde un satélite o un sensor aéreo. [59] La calibración y validación de satélites mantienen la calidad de los datos satelitales sobre el color del océano. [60] [61] Hay muchos tipos de sensores in situ, y los diferentes tipos a menudo se comparan en campañas de campo dedicadas o experimentos de laboratorio llamados "round robins". Los datos in situ se archivan en bibliotecas de datos como el archivo de datos SeaBASS . Algunos ejemplos de sensores in situ (o redes de muchos sensores) utilizados para calibrar o validar datos satelitales son:
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enlaces externos
Grupo Coordinador Internacional de Color del Océano